橡膠護(hù)套與火花塞粘連故障研究

王建波，吳霞

橡膠護(hù)套與火花塞粘連故障研究

王建波1，吳霞2

（1.湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北武漢 430056；2.神龍汽車有限公司技術(shù)中心，湖北武漢 430056）

調(diào)查導(dǎo)致橡膠護(hù)套與火花塞陶瓷體發(fā)生粘連故障現(xiàn)象，探討引發(fā)該問題相關(guān)原因，針對橡膠護(hù)套的環(huán)境溫度特征的影響設(shè)計了測試方法及規(guī)范，驗證固化了解決措施。

橡膠護(hù)套；火花塞陶瓷體；粘連

橡膠有良好的密封、絕緣性能，點火線圈上的護(hù)套便采用橡膠為材料，與火花塞的陶瓷體緊密貼合，可以有效地絕緣、防潮、防霉、防塵，可以保護(hù)高達(dá)3萬伏高壓能量集中傳遞給火花塞。但是橡膠材料有易老化、熱穩(wěn)定性差的缺點。東風(fēng)標(biāo)致408、東風(fēng)雪鐵龍世嘉等車型的1.6L自然吸氣發(fā)動機(jī)便采用了硅橡膠材料（企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NFR99210）作為火花塞護(hù)套，該橡膠制品由MECAPLAST GROUP法國工廠提供。在2013年1月的道路認(rèn)可試驗中，發(fā)現(xiàn)橡膠護(hù)套橡膠析出、輕微熱熔的故障。1故障描述

火花塞與橡膠護(hù)套過盈配合裝配，火花塞電極頭部伸入燃燒室，燃燒室的高溫由電極端向陶瓷端傳導(dǎo)，橡膠護(hù)套與陶瓷體直接接觸，如果溫度超過橡膠耐熱能力，則會出現(xiàn)橡膠析出甚至熱熔，導(dǎo)致與火花塞粘連及點火線圈損壞失效。

在車輛運行一段里程以后，檢查點火線圈護(hù)套與火花塞結(jié)合部位，發(fā)現(xiàn)點火線圈難以拆卸，原因是護(hù)套橡膠與火花塞陶瓷體發(fā)生了粘連。強(qiáng)行拆卸后，發(fā)現(xiàn)大量粘連（析出橡膠）的痕跡，甚至殘留撕裂的橡膠塊在火花塞陶瓷體上，如圖1所示。

圖1 橡膠護(hù)套與火花塞粘連故障件展示

對該故障現(xiàn)象進(jìn)行了調(diào)查，選擇10輛試驗樣本車輛，經(jīng)過了1.6萬km道路試驗以后，對4個缸的橡套護(hù)套進(jìn)行分類統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)隨著運行里程增加，粘連故障現(xiàn)象就越嚴(yán)重，并且3缸粘連發(fā)生率最高，1缸粘連發(fā)生率最低。

2 故障分析

采用5M分析工具分析，對幾個影響故障發(fā)生的因素進(jìn)行初步分析和排除。分析原因可能為：橡膠耐溫性能不足或者火花塞陶瓷體表面溫度過高；橡膠材料基本性能不合格；橡膠護(hù)套裝配尺寸不合格；橡膠護(hù)套上滑石粉不充分。

2.1 滑石粉的調(diào)查

滑石粉主要成分為硅酸鎂鹽混合物（H2Mg3（SO3）4或Mg3Si4O10（OH2）2），此類鹽吸收水后，可形成含有結(jié)晶水的硅酸鎂鹽。因為其吸水性和細(xì)膩光滑的特點，將其涂抹在護(hù)套內(nèi)壁與火花塞陶瓷體接觸區(qū)域，可以干燥潤滑橡膠表面，減少在裝配時的摩擦力，并延緩橡膠與陶瓷的粘結(jié)。對樣件抽檢調(diào)查滑石粉的含量，方法是通過微觀放大鏡來檢查滑石粉顆粒分布密度。微觀視圖見圖2，白色點狀顆粒即為滑石粉顆粒。

圖2 護(hù)套表面滑石粉的微觀分布圖

滑石粉顆粒分布較為均勻，顆粒數(shù)量也符合規(guī)范。該項不會是引起此故障的原因。

2.2 橡膠護(hù)套材料的基體性能

據(jù)文獻(xiàn)［1］研究，橡膠的硫化工藝不同，比如硫化劑配方及過程參數(shù)等，對橡膠基本性能產(chǎn)生不同的影響。橡膠護(hù)套與火花塞裝配后產(chǎn)生拉伸變形，因此橡膠的基本性能超差可能導(dǎo)致護(hù)套與火花塞裝配過緊，使橡膠承受過大內(nèi)部應(yīng)力，導(dǎo)致提前失效。對橡膠護(hù)套的基本性能進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果如表1所示。

橡膠護(hù)套材料的基本性能均符合材料規(guī)范，未發(fā)現(xiàn)此項與故障有明顯關(guān)聯(lián)。

2.3 橡膠護(hù)套尺寸分析

裝配的護(hù)套尺寸如果超差，則引起過盈量不合理，將導(dǎo)致橡膠多度拉伸，也可能導(dǎo)致粘連故障。涉及3個尺寸項，對其進(jìn)行抽樣檢查，結(jié)果如表2所示。

從檢查結(jié)果來看，橡膠護(hù)套材料裝配尺寸均穩(wěn)定合格，未發(fā)現(xiàn)此項與故障有明顯關(guān)聯(lián)。

2.4 火花塞陶瓷體表面溫度調(diào)查測量

2.4.1 測量方案設(shè)計

火花塞陶瓷體表面的實際工作溫度與很多因素相關(guān)，受到熱源和散熱條件的綜合影響。發(fā)動機(jī)不同轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、發(fā)動機(jī)艙進(jìn)氣流、環(huán)境氣溫、火花塞所處位置等因素，都會影響火花塞表面最終溫度。4個缸情況各異，需要設(shè)計測量方法，準(zhǔn)確反映各缸火花塞陶瓷體的實際工作溫度特征。

在4個缸橡膠護(hù)套內(nèi)壁嵌入熱電偶，將該信號接入設(shè)備的ETAS ES650，信號由INCA軟件讀出。所需要的設(shè)備及工具有：熱電偶為ERCIAT公司生產(chǎn)，傳感范圍-100～700℃，直徑1 mm，感溫精度為1℃；ETAS ES650是ETAS公司生產(chǎn)開發(fā)的信號采集設(shè)備，能收集熱電偶的電壓信號；INCA是由德國ETAS公司開發(fā)的發(fā)動機(jī)控制數(shù)據(jù)實時監(jiān)控和標(biāo)定的工具軟件，可實時讀取4個缸的火花塞表面溫度信息。

2.4.2 測量工況設(shè)計及實施

車輛選取東風(fēng)標(biāo)致408車型，配置1.6L發(fā)動機(jī)和手動變，該車發(fā)動機(jī)艙布置、空間尺寸、機(jī)艙進(jìn)風(fēng)散熱通道具備代表性?？紤]環(huán)境氣溫和風(fēng)力的影響，選擇比較苛刻的夏季天氣，測量時環(huán)境溫度33℃以上，環(huán)境風(fēng)力3級以內(nèi)。

根據(jù)用戶使用特征，測試了3種道路工況：城市和市郊道路工況；高速道路工況模擬；低擋低速工況。

根據(jù)工況需求，除了檢測4個缸火花塞陶瓷體溫度，并監(jiān)測了發(fā)動機(jī)機(jī)油溫度和冷卻水溫度，INCA工具的實時采集界面見圖3。

城市、市郊路段工況測試，路段選取武漢往返創(chuàng)業(yè)路→318國道→蔡甸侏儒。時速≤70 km／h、全程70km；熱機(jī)行駛時間120min；穩(wěn)定工況水溫86～96℃、機(jī)油溫度94～103℃。測得火花塞陶瓷表面最大溫度點3缸118℃，對應(yīng)車速70km／h。

圖3 INCA實時采集數(shù)據(jù)顯示界面

高速路段工況測試，路段選取往返武監(jiān)高速沌口→漢南。時速110～125 km／h保持30 min以上，全程160 km；熱機(jī)行駛時間100 min；穩(wěn)定工況水溫89～98℃、機(jī)油溫度99～110℃。測得火花塞陶瓷表面最大溫度點3缸112℃，對應(yīng)車速121km／h。

低擋低速工況測試，路段選取武漢天鵝湖大道→知音湖大道→白蓮大橋。1擋低速，車速≤40 km／h、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速≥5000r／min，保持30min以上；熱機(jī)行駛時間60min；穩(wěn)定工況水溫110～121℃、機(jī)油溫度118～122℃。測得火花塞陶瓷表面最大溫度點3缸134℃，對應(yīng)車速34km／h。

根據(jù)實際測量結(jié)果，在低擋低速的苛刻工況中，3缸出現(xiàn)的最高極限溫度為134℃，根據(jù)該類產(chǎn)品設(shè)計規(guī)范，該橡膠護(hù)套的工作溫度低于150℃，實測火花塞陶瓷體溫度并未出現(xiàn)異常，符合該產(chǎn)品功能規(guī)范。因此，確認(rèn)橡膠護(hù)套的耐溫能力不足。

3 解決方案

解決硅橡膠的耐熱性，選擇二次硫化工藝，這樣橡膠其它性能變化較小，成本和周期最優(yōu)。經(jīng)過二次硫化的樣件，通過3輛車2萬km實車道路耐久驗證后，確認(rèn)二次硫化的主要工藝參數(shù)，二次硫化溫度200℃，對應(yīng)的持續(xù)時間是4h。

要確認(rèn)該方案長期穩(wěn)定，產(chǎn)品交付前，護(hù)套的耐熱性能應(yīng)經(jīng)過驗證測試。實車測試效率低、成本高，耐熱臺架測試能比較快速、便捷地驗證橡膠的耐熱性。耐熱臺架如圖4所示，用電加熱吹風(fēng)機(jī)對火花塞電極部位進(jìn)行持續(xù)加熱，監(jiān)測熱風(fēng)源出口溫度和火花塞陶瓷體表面與橡膠貼合處溫度，模仿實際用戶的使用特征。

圖4 橡膠護(hù)套耐熱測試臺架圖

按火花塞表面溫度和持續(xù)時間測試參數(shù)，進(jìn)行逐步分組測試，目的是尋找合理耐熱臺架測試參數(shù)。耐熱參數(shù)按梯度分為6組：135℃持續(xù)5h；145℃持續(xù)5h；155℃持續(xù)7h；165℃持續(xù)7h；165℃持續(xù)9 h；175℃持續(xù)7h。臺架測試結(jié)果表明：出現(xiàn)故障的樣品批次在溫度165℃、持續(xù)7h的耐熱測試時，出現(xiàn)100%的失敗率；而經(jīng)過二次硫化橡膠護(hù)套樣品在175℃、持續(xù)7 h耐熱測試中全部通過，并且該批次護(hù)套樣品也通過實車測試。因此參數(shù)175℃持續(xù)7h是適合該產(chǎn)品的臺架檢測參數(shù)。在產(chǎn)品經(jīng)過硫化處理后，可以采用該檢測參數(shù)對耐熱性進(jìn)行快速抽檢。

4 結(jié)論

通過對故障調(diào)查和分析，針對橡膠護(hù)套與火花塞陶瓷粘連的問題，針對性地提出解決方案并進(jìn)行驗證。建立一個能夠精確測量發(fā)動機(jī)各個缸的橡膠護(hù)套工作溫度的方法，為國外零件制造商提供了精確的中國用戶使用環(huán)境特征，促使其產(chǎn)品設(shè)計品質(zhì)提升。同時也找到臺架檢測橡膠耐熱能力適合該產(chǎn)品的測試參數(shù)，保證海外進(jìn)口零件交付前，其橡膠耐熱能力得到保證，從而保證該缺陷不傳遞給最終用戶。

［1］武衛(wèi)莉，劉偉.提高硅橡膠硫化膠耐熱性能的研究［J］.橡膠工業(yè)，2001，48（8）：471-473.

（編輯心翔）

Troubleshooting on Spark Plug Sticking with Rubber Case

WANG Jian-bo1，WU Xia2

（1.School of mechanical engineering，Hubei University of Technology；

2.Dongfeng Peugeot Citroen Automobile Corporation Technology Centre，Wuhan 430056，China）

This article analyzes the issue of spark plug ceramic body sticking with rubber case，and discusses its causing factors.Based on environment temperature characteristics of rubber case，the design of testing method and standards are proposed and verified to be effective.

rubber case；spark plug ceramic body；stick

U463.643

A

1003－8639（2017）01－0046－03

2016-04-08；

2016-04-21

王建波（1979-），男，湖北十堰人，在讀碩士，研究方向是動力總成項目開發(fā)及管理；吳霞（1989-），女，湖北武漢人，研究方向為汽車電子電器。